CN102543411B - 鼠笼式空芯电流互感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种鼠笼式空芯电流互感器，包括平行设置的上层弧形PCB板和下层弧形PCB板、以及多个沿圆周方向间隔地且均匀分布的PCB板式线圈，其中，所述PCB板式线圈设置在所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板之间，并与所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板垂直，PCB板式线圈的上端和下端分别与所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板固定连接，其中所述多个PCB板式线圈通过所述上层弧形PCB板或下层弧形PCB板电气地串联连接。鼠笼式空芯电流互感器测量范围宽、测量电流大，可从几安培到数十万安培，主要用于矿热炉、炼钢炉等大功率冶炼设备短网电流的测量。

Description

鼠笼式空芯电流互感器

 技术领域

本发明涉及一种电流互感器，尤其是一种鼠笼式空芯电流互感器。鼠笼式空芯电流互感器是基于电磁感应原理而设计的一款电流测量互感器，测量范围宽、测量电流大（从几安培到数十万安培），主要用于（但不限于）矿热炉、炼钢炉等大功率冶炼设备短网电流的测量。

 背景技术

图1中示出了现有技术中采用的软质罗氏线圈，其是将漆包线绕制在软质非磁性材料的骨架上，让待测大电流导体穿过其几何中心进行电流测量，因为不包含磁芯，不存在磁饱和问题，因此测量范围宽、线性度好。加工和使用中要求线圈密度恒定（轴向分布均匀）、线圈截面积及形状一致、线圈横截面尽可能与中心线垂直。由于是软质线圈，具有很强的施工便利性，因此被广泛采用。

但是，图1中的软质罗氏线圈也存在以下诸多缺点：

生产罗氏线圈时，如采用手工或半手工绕制工艺，难以保证绕制线圈的截面积相同以及沿骨架轴向分布的均匀性，这将带来测量误差；

采用高精度的数控卷绕设备进行卷绕时，可以较好地保证绕制过程本身的精确性，但软质骨架容易变形，缠绕其上的线圈截面形状容易改变，这导致测量误差；

线圈与骨架间容易产生蠕动，装设及使用过程中线圈的牵拉及弯曲会导致线圈相对位置发生变化，破坏了线圈分布的均匀性，这增加了测量误差；

机械强度低，装设及使用过程中，挤压会导致线圈截面甚至线圈骨架变形，常常造成永久性形变甚至损坏，这增加测量误差并降低了可靠性；

软质骨架以及外层保护用软性橡胶的温度特性较差，容易老化，传感器可靠性降低；线圈截面小，感应电压低，输出信号较弱，抗电磁干扰能力差；

开口较大，造成线圈分布不均，存在系统性的偏心误差实现电磁屏蔽的技术手段相对复杂；线圈损坏后几乎无法修复，应用成本高,加工要求高，生产成本高。

此外，现有技术中还存在一种硬质PCB式线圈，其基于PCB的设计方法及精密的加工工艺，采用双面PCB，在两面布线，用过孔进行串接，从而生成基于印制导线的等效线圈。如图2所示，图中实线和虚线分别表示PCB的顶层和底层。

硬质PCB式线圈在保留了软质罗氏线圈测量范围宽、高线性的本质优点的基础上，摒弃了软质罗氏线圈的诸多固有缺点，已经在一些场合得到应用。但是它依然存在以下不足之处：

同一批次的PCB基材的厚度偏差很少可以做到1%以下，高的甚至可达10%；同一片PCB的厚度不均匀；不同批次的PCB厚度存在离散性；以上三种实际存在的状况导致线圈截面积不相同，互感参数不一致，精确测量必须针对不同得线圈个体进行差异性的系统性调整或标定；

PCB基材受温度变化的影响主要表现在基材厚度变化，这同样导致互感参数变化；

为了增加线圈匝数需要高密度布线，因此PCB过孔的数量大、过孔尺寸小，这增加了传感器的故障率；同样因为过孔数量和过孔尺寸的问题，这种结构难以实现多层板的应用；

受导线间距的影响，钳形拼接方式的应用存在开口处线圈密度的不均匀现象，影响测量精度；

受板材厚度的影响，单匝项圈的面积难以做大，不利于提高测量的灵敏度；

电气或机械的损伤容易导致整个传感器的报废，维修的技术难度较高。

综上所述，有必要研制一种新型的电流互感器，来克服现有技术中存在的所述问题。

 发明内容

为了克服现有技术中至少一个不足或缺陷，本发明的一个目的是提供一种鼠笼式空芯电流互感器。具体地，通过以下技术方案来实现：一种鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于包括平行设置的上层弧形PCB板和下层弧形PCB板、以及多个沿圆周方向间隔地且均匀分布的PCB板式线圈，其中，所述PCB板式线圈设置在所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板之间，并与所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板垂直，PCB板式线圈的上端和下端分别与所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板固定连接，其中所述多个PCB板式线圈通过所述上层弧形PCB板或下层弧形PCB板电气地串联连接。

根据本发明另一方面，所述PCB板式线圈为长方形的PCB板式线圈。

根据本发明另一方面，所述PCB板式线圈包括设置PCB板上的多个圆角矩形线圈、圆形线圈、椭圆形线圈或渐开线形线圈。

根据本发明另一方面，所述PCB板式线圈包括两层或更多层线圈。

根据本发明另一方面，所述PCB板式线圈包括用于连接所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板的焊盘。

根据本发明另一方面，所述PCB板式线圈包括用于电气连接该PCB板式线圈上相邻层线圈之间的过孔。

根据本发明另一方面，所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板均为半圆环形PCB板。

根据本发明另一方面，所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板均为圆环形PCB板。

根据本发明另一方面，所述电流互感器还包括防尘的电磁屏蔽外罩。

本发明与现有技术相比，具有一个或者多个以下优点：

线圈采用高精度的PCB生产工艺，加工精度高，方便批量生产，应用成本低；

改变线圈的尺寸、匝数及PCB层数可以方便地调节线圈检测的灵敏度。线圈平面沿垂直于磁力线的方向圆周状均匀分布，克服了PCB自身的厚度偏差及温度变化导致的厚度误差；

不同板层的印制线圈在垂直于板层的方向位置错开，减小分布电容，提高测量精度；等效匝数多、灵敏度高、输出电压高、抗电磁干扰能力强；

钳形拼接方式的应用不存在开口处线圈密度不均匀现象，拼装不影响测量精度；

实现电磁屏蔽的技术手段简单易行；

用于将线圈串联起来的焊盘尺寸大，焊接的电气可靠性高；

用于将线圈串联起来的焊点数量少，故障率大大降低；

PCB式子线圈及线圈连接PCB的损伤易于检查、易于修复或更换，维修成本低廉;

机械强度高，不会弯曲变形，不改变测量精度；

温度特性好，耐高温，几乎不存在老化和性能指标变化问题，寿命长。

 附图说明

图1是现有技术中的一种软质罗氏线圈的结构原理示意图。

图2是现有技术中的一种硬质PCB式线圈的结构示意图。

图3是根据本发明优选实施例的一种鼠笼式空芯电流互感器示意图。

图4是根据本发明优选实施例的另一种鼠笼式空芯电流互感器示意图。

图5是根据本发明优选实施例的鼠笼式空芯电流互感器的一种PCB板式线圈正面示意图。

图6是根据本发明优选实施例的鼠笼式空芯电流互感器的一种PCB板式线圈背面示意图（透视）。

 具体实施方式

下面结合附图，通过优选实施例来描述本发明的最佳实施方式，这里的具体实施方式在于详细地说明本发明，而不应理解为对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和实质范围的情况下，可以做出各种变形和修改，这些都应包含在本发明的保护范围之内。

鼠笼式空芯电流互感器采用基于PCB的设计方法及精密的加工工艺，将多片不同功用的PCB焊接一体，形成一个等效的电流检测线圈。

参见图3，其中示出了一种鼠笼式空芯电流互感器，包括平行设置的上层弧形PCB板2和下层弧形PCB板3、以及多个沿圆周方向间隔地且均匀分布的PCB板式线圈1，其中，所述PCB板式线圈1设置在所述上层弧形PCB板2和下层弧形PCB板3之间，并与所述上层弧形PCB板2和下层弧形PCB板3垂直，PCB板式线圈1的上端和下端分别与所述上层弧形PCB板2和下层弧形PCB板3固定连接，其中所述多个PCB板式线圈1通过所述上层弧形PCB板2或下层弧形PCB板3电气地串联连接。

优选地，参见图5－6，所述PCB板式线圈1为长方形的PCB板式线圈。

优选地，所述PCB板式线圈1包括设置PCB板上的多个圆角矩形线圈6、圆形线圈、椭圆形线圈或渐开线形线圈。可选地，PCB板式线圈1可以采用双面PCB结构，也可以采用多层PCB结构。线圈形状可以是图中的圆角矩形，也可以是圆形、椭圆形、渐开线性等多种形式，线圈的形状和尺寸及印制导线的线径均可以调节，从而具有极大的灵活性。

优选地，所述PCB板式线圈1包括两层或更多层线圈6。两层或多层的印制导线（线圈）例如通过图中中上侧的过孔5相连，形成一个以PCB板式线圈1上端的两个焊盘4作引出端点的完整线圈。PCB板式线圈1下端的两个焊盘4仅作固定或定位用，在用其它方式实现定位时，其也可以省略。

优选地，所述PCB板式线圈1包括用于连接所述上层弧形PCB板2和下层弧形PCB板3的焊盘4。

优选地，所述PCB板式线圈1包括用于电气连接该PCB板式线圈1上相邻层线圈6之间的过孔5。可以理解的是，例如当印制线圈6为多层时，一相邻层的印制线圈之间的过孔5与另一相邻层之间的另一过孔5可以重叠，也可以错位。

优选地，参见图4，所述上层弧形PCB板2和下层弧形PCB板3均为半圆环形PCB板。图4中示出的是一种开口方式双半圆形结构互感器，两个半圆环形结构参数相同，均包含上下两片用于连接及固定的半圆环形PCB和若干片沿半圆周均匀分布的PCB板式线圈。使用时将两个构件卡在待检测的载流体上，用微型接插件将两片进行无缝拼接，形成一个完整的线圈，信号从预设的线圈末端引出。这种结构适用于不便直接套装的载流体电流检测场合。

优选地，参见图3，所述上层弧形PCB板2和下层弧形PCB板3均为圆环形PCB板。图3示出的封闭圆环形结构互感器，包含上下两片用于连接/固定用的圆环形PCB和若干个沿圆周均匀分布的PCB式线圈，信号从预设的线圈末端引出。这种结构适用于方便直接套装的载流体电流检测场合。

优选地，所述电流互感器还包括防尘的电磁屏蔽外罩，该外罩还具有耐高温的性能，以适应例如矿热炉等设备的高温、粉尘、电磁辐射等恶劣工作环境。

优选地，所述PCB板式线圈1可包括PCB板1、设置在PCB板1上的焊盘4和设置在PCB板1上的印制线圈6，其中所述印制线圈6为单层；或者所述印制线圈6为两层或更多层，且相邻层的印制线圈6通过过孔5电连接。可以理解的是，例如当印制线圈6为多层时，一相邻层的印制线圈之间的过孔5与另一相邻层之间的另一过孔5可以重叠，也可以错位。所述印制线圈6可为圆角矩形线圈、圆形线圈、椭圆形线圈或渐开线形线圈等等。参见图3－4，该PCB板式线圈1的上端、下端所固定的方向均与圆环形/半圆环形PCB板的半径方向重叠。

本发明与现有技术相比，具有一个或者多个以下优点：

线圈采用高精度的PCB生产工艺，加工精度高，方便批量生产，应用成本低；

改变线圈的尺寸、匝数及PCB层数可以方便地调节线圈检测的灵敏度线圈平面沿垂直于磁力线的方向圆周状均匀分布，克服了PCB自身的厚度偏差及温度变化导致的厚度误差；

不同板层的印制线圈在垂直于板层的方向位置错开，减小分布电容，提高测量精度；等效匝数多、灵敏度高、输出电压高、抗电磁干扰能力强；

钳形拼接方式的应用不存在开口处线圈密度不均匀现象，拼装不影响测量精度；

实现电磁屏蔽的技术手段简单易行；

用于将线圈串联起来的焊盘尺寸大，焊接的电气可靠性高；

用于将线圈串联起来的焊点数量少，故障率大大降低；

PCB式子线圈及线圈连接PCB的损伤易于检查、易于修复或更换，维修成本低廉;

机械强度高，不会弯曲变形，不改变测量精度；

温度特性好，耐高温，几乎不存在老化和性能指标变化问题，寿命长。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例批露如上，然而并非用以限定本发明。本领域普通技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容进行修改和变更。需要指出的是，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。本发明的保护范围由所附权利要求限定。

Claims (12)

1.一种鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于包括平行设置的上层弧形PCB板和下层弧形PCB板、以及多个沿圆周方向间隔地且均匀分布的PCB板式线圈，其中，所述PCB板式线圈设置在所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板之间，并与所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板垂直，PCB板式线圈的上端和下端分别与所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板固定连接，其中所述多个PCB板式线圈通过所述上层弧形PCB板或下层弧形PCB板电气地串联连接。

2.根据权利要求1所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述PCB板式线圈为长方形的PCB板式线圈。

3.根据权利要求1或2所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述PCB板式线圈包括设置PCB板上的多个圆角矩形线圈、圆形线圈、椭圆形线圈或渐开线形线圈。

4.根据权利要求3所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述PCB板式线圈包括两层或更多层线圈。

5.根据权利要求3所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述PCB板式线圈包括用于连接所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板的焊盘。

6.根据权利要求1或2所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述PCB板式线圈包括用于电气连接该PCB板式线圈上相邻层线圈之间的过孔。

7.根据权利要求3所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板均为半圆环形PCB板。

8.根据权利要求3所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述上层弧形PCB板和下层弧形PCB板均为圆环形PCB板。

9.根据权利要求6所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于还包括防尘的电磁屏蔽外罩。

10.根据权利要求3所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述PCB板式线圈包括用于电气连接该PCB板式线圈上相邻层线圈之间的过孔。

11.根据权利要求10所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于还包括防尘的电磁屏蔽外罩。

12.根据权利要求4所述的鼠笼式空芯电流互感器，其特征在于，所述PCB板式线圈包括用于电气连接该PCB板式线圈上相邻层线圈之间的过孔。